專(zhuān)利名稱(chēng)：一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的方法，尤其涉及一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法。
背景技術(shù)：
焊接接頭和結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用在船舶、壓力容器、車(chē)輛、橋梁、海洋工程、工程機(jī)械、航空航天、電力、冶金等重要領(lǐng)域，焊接結(jié)構(gòu)尤其在焊趾部位易產(chǎn)生過(guò)早失效和安全事故。引發(fā)焊接結(jié)構(gòu)裝備失效的物理機(jī)制很多，如疲勞、蠕變、腐蝕、脆性斷裂、磨損等，其中疲勞損傷問(wèn)題較為常見(jiàn)。如由于提速，已使焊接接頭疲勞問(wèn)題成為影響鐵路行車(chē)安全和鋼軌使用壽命的重要傷損機(jī)制；再如軋鋼設(shè)備中冷軋輥接觸疲勞損傷問(wèn)題迄今也沒(méi)有得到妥善解決，嚴(yán)重地影響它們的使用壽命。
現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主要采用TIG熔修、錘擊和噴丸等方法來(lái)提高焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞性能，但這些方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、能耗高而且會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。超聲沖擊以其執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧，可控性好，使用靈活方便、噪音極小、效率高、應(yīng)用時(shí)受限少，成本低而且節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種接頭，是一種理想的焊后改善焊接接頭疲勞性能的方法。然而，超聲沖擊在處理承受低周疲勞載荷時(shí)其效果并不十分明顯。因此，提出一種既適合改善焊接結(jié)構(gòu)高周疲勞性能又能很好地改善焊接結(jié)構(gòu)低周疲勞性能的方法具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法，該方法既適合改善焊接結(jié)構(gòu)高周疲勞性能又能很好地改善焊接結(jié)構(gòu)低周疲勞性能，并能進(jìn)一步消除焊接殘余拉伸應(yīng)力、引入壓縮應(yīng)力。
本發(fā)明的一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法，采用噴焊或激光噴熔方法將低相變粉末材料涂覆在焊接結(jié)構(gòu)的焊趾部位以在焊趾部位形成涂覆厚度在1mm-6mm之間的光滑過(guò)渡的金屬覆蓋層，所述的焊趾部位的涂覆厚度厚于附近區(qū)域的涂覆厚度，所述的噴涂材料為熔化態(tài)，所述的低相變粉末材料的組分及重量百分比含量為C0.04～0.06，Mn0.8～1.2，Cr8.0～10.0，Ni8.0～10.0，Mo0.3～0.6，Nb0.3～0.6，Ti0.3～0.6，Si0.5～0.8，其余為Fe；其固態(tài)相變點(diǎn)溫度范圍為150～250℃。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以大幅度地提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能。對(duì)于低碳鋼可以提高其高周疲勞疲勞強(qiáng)度(2×106)60～75％(不同接頭形式提高幅度有所不同)，疲勞壽命在高周范圍(循環(huán)周次超過(guò)1×105)內(nèi)提高了7～15倍；可以提高其低周疲勞疲勞強(qiáng)度(2×106)30～55％(不同接頭形式提高幅度有所不同)，疲勞壽命在低周范圍內(nèi)提高了5～45倍。對(duì)于中強(qiáng)鋼可以提高其高周疲勞疲勞強(qiáng)度(2×106)65～85％(不同接頭形式提高幅度有所不同)，疲勞壽命在高周范圍(循環(huán)周次超過(guò)1×105)內(nèi)提高了9～19倍；可以提高其低周疲勞疲勞強(qiáng)度(2×106)32～50％(不同接頭形式提高幅度有所不同)，疲勞壽命在低周范圍內(nèi)提高了7～35倍。對(duì)于高強(qiáng)鋼可以提高其高周疲勞疲勞強(qiáng)度(2×106)86～125％(不同接頭形式提高幅度有所不同)，疲勞壽命在高周范圍(循環(huán)周次超過(guò)105)內(nèi)提高了17～56倍；可以提高其低周疲勞疲勞強(qiáng)度(2×106)25～45％(不同接頭形式提高幅度有所不同)，疲勞壽命在低周范圍內(nèi)提高了12～100倍。
通過(guò)有限元分析計(jì)算可知這種通過(guò)噴熔的方式，對(duì)焊接接頭焊趾區(qū)域進(jìn)行填充成形的新技術(shù)可以使其應(yīng)力集中程度大幅降低，尤其是對(duì)于應(yīng)力集中嚴(yán)重的原始焊接接頭形式效果更為明顯。對(duì)于對(duì)接接頭，其應(yīng)力集中系數(shù)可由1.5～2.3降至1.05～1.1；對(duì)于十字接接頭，其應(yīng)力集中系數(shù)可由1.8～3.0降至1.1～1.15；對(duì)于縱向角接接頭，其應(yīng)力集中系數(shù)可由2.0～3.5降至1.15～1.25；對(duì)于管接頭，其應(yīng)力集中系數(shù)可由3.5～10降至1.3～1.8。
低相變填充粉末可以大幅降低焊接拉伸殘余應(yīng)力，并引入壓縮殘余應(yīng)力，從而進(jìn)一步提高接頭疲勞性能。經(jīng)測(cè)定，對(duì)于不同鋼種，該方法可引入-210～-540MPa的壓縮應(yīng)力。


圖1為焊件原始焊態(tài)；圖2為采用一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的噴熔方法的焊件噴熔狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作以詳細(xì)描述。
如附圖所示，一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法，采用噴焊或激光噴熔方法將低相變粉末材料涂覆在焊接結(jié)構(gòu)的焊趾部位以在焊趾部位形成涂覆厚度在1mm-6mm之間的光滑過(guò)渡的金屬覆蓋層，所述的焊趾部位的涂覆厚度厚于附近區(qū)域的涂覆厚度，所述的噴涂材料為熔化態(tài)，所述的低相變粉末材料的組分及重量百分比含量(％)為C0.04～0.06，Mn0.8～1.2，Cr8.0～10.0，Ni8.0～10.0，Mo0.3～0.6，Nb0.3～0.6，Ti0.3～0.6，Si0.5～0.8，其余為Fe；其固態(tài)相變點(diǎn)溫度范圍為150～250℃。所述的焊趾部位的噴涂材料的涂覆厚度最好為2mm-6mm，厚度低于1mm難以消除焊趾部位的應(yīng)力，厚度高于6mm使造價(jià)過(guò)高。
該方法提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的主要技術(shù)原理是通過(guò)合適的熱源將低相變粉末噴涂到焊接接頭的焊趾部位，或者在涂敷過(guò)程中同時(shí)將所噴材料熔化，或者涂敷后再將所噴材料熔化，在焊接接頭的焊趾部位冶金結(jié)合地形成足夠厚度具有高曲率半徑且表面光滑過(guò)渡的覆蓋層，這樣可以大大降低焊接接頭焊趾區(qū)域的應(yīng)力集中程度；該覆蓋層相變的開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)均出現(xiàn)在較低的溫度，此時(shí)材料已處于彈塑性或彈性狀態(tài)，相變體積膨脹將會(huì)減少焊接熱場(chǎng)造成的殘余拉伸應(yīng)力，并引入殘余壓縮應(yīng)力。因此提高了焊接結(jié)構(gòu)和接頭的疲勞性能。
對(duì)于改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的噴熔方法，其實(shí)施過(guò)程的技術(shù)要點(diǎn)是需要在焊接接頭焊趾部位冶金結(jié)合地覆蓋一層外形具有高曲率半徑特征且表面光滑過(guò)渡(如圖2中1所示)的低相變噴熔材料。這一點(diǎn)可以利用將噴熔設(shè)備的工具部分適當(dāng)擺動(dòng)技術(shù)手段，通過(guò)控制噴熔厚度、焊趾部位的涂覆厚度厚于附近區(qū)域的涂覆厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢圆捎贸Ｓ玫膰娙墼O(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法，其特征在于采用噴焊或激光噴熔方法將低相變粉末材料涂覆在焊接結(jié)構(gòu)的焊趾部位以在焊趾部位形成涂覆厚度在1mm-6mm之間的光滑過(guò)渡的金屬覆蓋層，所述的焊趾部位的涂覆厚度厚于附近區(qū)域的涂覆厚度，所述的噴涂材料為熔化態(tài)，所述的低相變粉末材料的組分及重量百分比含量為C0.04～0.06，Mn0.8～1.2，Cr8.0～10.0，Ni8.0～10.0，Mo0.3～0.6，Nb0.3～0.6，Ti0.3～0.6，Si0.5～0.8，其余為Fe；其固態(tài)相變點(diǎn)溫度范圍為150～250℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法，其特征在于所述的焊趾部位的噴涂材料的涂覆厚度為2mm-6mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法，其特征在于所述的噴焊為等離子噴熔、火焰噴熔、電弧噴熔。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改善焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的相變噴熔方法，采用噴焊或激光噴熔方法將低相變粉末材料涂覆在焊接結(jié)構(gòu)的焊趾部位以在焊趾部位形成涂覆厚度在1mm－6mm之間的光滑過(guò)渡的金屬覆蓋層，所述的焊趾部位的涂覆厚度厚于附近區(qū)域的涂覆厚度，所述的噴涂材料為熔化態(tài)，所述的低相變粉末材料的組分及重量百分比含量為C0.04～0.06，Mn0.8～1.2，Cr8.0～10.0，Ni8.0～10.0，Mo0.3～0.6，Nb0.3～0.6，Ti0.3～0.6，Si0.5～0.8，其余為Fe；其固態(tài)相變點(diǎn)溫度范圍為150～250℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以大幅度地提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能。
文檔編號(hào)B23K5/00GK1916225SQ20061001559
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月6日
發(fā)明者王東坡, 鄧彩艷, 王婷, 荊洪陽(yáng), 張中平 申請(qǐng)人:天津大學(xué)